设计通用的接口幂等框架

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需求场景

调用方访问公共服务平台的接口，会有三种可能的结果：成功、失败和超时。前两种结果非常明确，调用方可以自己决定收到结果之后如何处理。结果为“成功”，万事大吉；结果为“失败”，一般情况下，调用方会将失败的结果，反馈给用户（移动端 App），让用户自行决定是否重试。但是，当接口请求超时时，处理起来就没那么容易了。有可能业务逻辑已经执行成功了，只是公共服务平台返回结果给调用方的时候超时了，但也有可能业务逻辑没有执行成功，比如，因为数据库当时存在集中写入，导致部分数据写入超时。总之，超时对应的执行结果是未决的。

如果接口只包含查询、删除、更新这些操作，那接口天然是幂等的。所以，超时之后，重新再执行一次，也没有任何副作用。不过，这里有两点需要特殊说明一下。

删除操作需要当心 ABA 问题。删除操作超时了，又触发一次删除，但在这次删除之前，又有一次新的插入。后一次删除操作删除了新插入的数据，而新插入的数据本不应该删除。不过，大部分业务都可以容忍 ABA 问题。对于少数不能容忍的业务场景，我们可以针对性的特殊处理。除此之外，细究起来，update x = x + delta 这样格式的更新操作并非幂等，只有 update x = y 这样格式的更新操作才是幂等的。不过，后者也存在跟删除同样的 ABA 问题。

如果接口包含修改操作（插入操作、update x = x + delta 更新操作），多次重复执行有可能会导致业务上的错误，这是不能接受的。如果插入的数据包含数据库唯一键，可以利用数据库唯一键的排他性，保证不会重复插入数据。除此之外，一般我会建议调用方按照这样几种方式来处理：

  1. 调用方访问公共服务平台接口超时时，返回清晰明确的提醒给用户，告知执行结果未知，让用户自己判断是否重试。不过，你可能会说，如果用户看到了超时提醒，但还是重新发起了操作，比如重新发起了转账、充值等操作，那该怎么办呢？实际上，对这种情况，技术是无能为力的。因为两次操作都是用户主动发起的，我们无法判断第二次的转账、充值是新的操作，还是基于上一次超时的重试行为；
  2. 调用方调用其他接口，来查询超时操作的结果，明确超时操作对应的业务，是执行成功了还是失败了，然后再基于明确的结果做处理。但是这种处理方法存在一个问题，那就是并不是所有的业务操作，都方便查询操作结果；
  3. 调用方在遇到接口超时之后，直接发起重试操作。这样就需要接口支持幂等。我们可以选择在业务代码中触发重试，也可以将重试的操作放到 Feign 框架中完成。因为偶尔发生的超时，在正常的业务逻辑中编写一大坨补救代码，这样做会影响到代码的可读性，有点划不来。当然，如果项目中需要支持超时重试的业务不多，那对于仅有几个业务，特殊处理一下也未尝不可。但是，如果项目中需要支持超时重试的业务比较多，我们最好是把超时重试这些非业务相关的逻辑，统一在框架层面解决；

对响应时间敏感的调用方来说，它们服务的是移动端的用户，过长的等待时间，还不如直接返回超时给用户。所以，这种情况下，第一种处理方式是比较推荐的；但是，对响应时间不敏感的调用方来说，比如 Job 类的调用方，我推荐选择后两种处理方式，能够提高处理的成功率。

需求分析

前面多次提到“幂等”，那“幂等”到底是什么意思呢？放到接口调用的这个场景里，幂等的意思是，针对同一个接口，多次发起同一个业务请求，必须保证业务只执行一次。那如何判定两次接口请求是同一个业务请求呢？也就是说，如何判断两次接口请求是重试关系？而非独立的两个业务请求？比如，两次调用转账接口，尽管转账用户、金额等参数都一样，但我们也无法判断这两个转账请求就是重试关系。

实际上，要确定重试关系，我们就需要给同一业务请求一个唯一标识，也就是幂等号。如果两个接口请求，带有相同的幂等号，那我们就判断它们是重试关系，是同一个业务请求，不要重复执行。幂等号需要保证全局唯一性。它可以有业务含义，比如，用户手机号码是唯一的，对于用户注册接口来说，我们可以拿它作为幂等号。不过，这样就会导致幂等框架的实现，无法完全脱离具体的业务。所以，我们更加倾向于，通过某种算法来随机生成没有业务含义的幂等号。

这里我们也借助用户用例和测试驱动开发的思想，先去思考，如果框架最终被开发出来之后，它会如何被使用。我写了一个框架使用的 Demo 示例，如下所示：

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///////// 使用方式一：在业务代码中处理幂等 ////////////
// 接口调用方
Idempotence idempotence = new Idempotence();
String idempotenceId = idempotence.createId();
Order order = createOrderWithIdempotence(..., idempotenceId);

// 接口实现方
public class OrderController {
    private Idempotence idempotence; // 依赖注入
    
    public Order createOrderWithIdempotence(..., String idempotenceId) {
        // 前置操作
        boolean existed = idempotence.check(idempotenceId);
        if (existed) {
            // 两种处理方式：
            // 1. 查询 order，并且返回；
            // 2. 返回 duplication operation Exception；
        }
        idempotence.record(idempotenceId);
        //...执行正常业务逻辑
    }
    
    public Order createOrder(...) {
        //...
    }
}

///////// 使用方式二：在框架层面处理幂等 //////////////
// 接口调用方
Idempotence idempotence = new Idempotence();
String idempotenceId = idempotence.createId();
//...通过 Feign 框架将幂等号添加到 http header 中...

// 接口实现方
public class OrderController {
    @IdempotenceRequired
    public Order createOrder(...) {
        //...
    }
}
// 在 AOP 切面中处理幂等
@Aspect
public class IdempotenceSupportAdvice {
    @Autowired
    private Idempotence idempotence;

    @Pointcut("@annotation(com.xzg.cd.idempotence.annotation.IdempotenceRequired)")
    public void controllerPointcut() {}

    @Around(value = "controllerPointcut()")
    public Object around(ProceedingJoinPoint joinPoint) throws Throwable {
        // 从 HTTP header 中获取幂等号 idempotenceId
    
        // 前置操作
        boolean existed = idempotence.check(idempotenceId);
        if (existed) {
            // 两种处理方式：
            // 1. 查询 order，并且返回；
            // 2. 返回 duplication operation Exception；
        }
        idempotence.record(idempotenceId)
        
        Object result = joinPoint.proceed();    
        return result;
    }
}

结合刚刚的 Demo，从使用的角度来说，幂等框架的主要处理流程是这样的：接口调用方生成幂等号，并且跟随接口请求，将幂等号传递给接口实现方。接口实现方接收到接口请求之后，按照约定，从 HTTP header 或者接口参数中，解析出幂等号，然后通过幂等号查询幂等框架。如果幂等号已经存在，说明业务已经执行或正在执行，则直接返回；如果幂等号不存在，说明业务没有执行过，则记录幂等号，继续执行业务。

对于幂等框架，我们再来看下，它都有哪些非功能性需求：

  • 在易用性方面，我们希望框架接入简单方便，学习成本低。只需编写简单的配置以及少许代码，就能完成接入。除此之外，框架最好对业务代码低侵入松耦合，在统一的地方（比如 Spring AOP 中）接入幂等框架，而不是将它耦合在业务代码中；
  • 在性能方面，针对每个幂等接口，在正式处理业务逻辑之前，我们都要添加保证幂等的处理逻辑。这或多或少地会增加接口请求的响应时间。而对于响应时间比较敏感的接口服务来说，我们要让幂等框架尽可能低延迟，尽可能减少对接口请求本身响应时间的影响；
  • 在容错性方面，不能因为幂等框架本身的异常，导致接口响应异常，影响服务本身的可用性。所以，幂等框架要有高度的容错性。比如，存储幂等号的外部存储器挂掉了，幂等逻辑无法正常运行，这个时候业务接口也要能正常服务才行；

幂等处理正常流程

调用方从发起接口请求到接收到响应，一般要经过三个阶段：

  1. 调用方发送请求并被实现方接收；
  2. 执行接口对应的业务逻辑；
  3. 将执行结果返回给调用方；

为了实现接口幂等，我们需要将幂等相关的逻辑，添加在这三个阶段中。正常情况下，幂等号随着请求传递到接口实现方之后，接口实现方将幂等号解析出来，传递给幂等框架。幂等框架先去数据库（比如 Redis）中查找这个幂等号是否已经存在。如果存在，说明业务逻辑已经或者正在执行，就不要重复执行了。如果幂等号不存在，就将幂等号存储在数据库中，然后再执行相应的业务逻辑。

正常情况下，幂等处理流程是非常简单的，难点在于如何应对异常情况。在这三个阶段中，如果第一个阶段出现异常，比如发送请求失败或者超时，幂等号还没有记录下来，重试请求会被执行，符合我们的预期。如果第三个阶段出现异常，业务逻辑执行完成了，只是在发送结果给调用方的时候，失败或者超时了，这个时候，幂等号已经记录下来，重试请求不会被执行，也符合我们的预期。也就是说，第一、第三阶段出现异常，上述的幂等处理逻辑都可以正确应对。但是，如果第二个阶段业务执行的过程出现异常，处理起来就复杂多了。

业务代码异常处理

对于这个问题，我们要分业务异常和系统异常来区分对待。我举个例子解释一下，比如，A 用户发送消息给 B 用户，但是查询 B 用户不存在，抛出 UserNotExisting 异常，我们把这种业务上不符合预期叫做业务异常。因为数据库挂掉了，业务代码访问数据库时，就会报告数据库异常，我们把这种非业务层面的、系统级的异常，叫做系统异常。

遇到业务异常（比如 UserNotExisting 异常），我们不删除已经记录的幂等号，不允许重新执行同样的业务逻辑，因为再次重新执行也是徒劳的，还是会报告异常；相反，遇到系统异常（比如数据库访问异常），我们将已经记录的幂等号删除，允许重新执行这段业务逻辑。因为在系统级问题修复之后（比如数据库恢复了），重新执行之前失败的业务逻辑，就有可能会成功。

实际上，为了让幂等框架尽可能的灵活，低侵入业务逻辑，发生异常（不管是业务异常还是系统异常），是否允许再重试执行业务逻辑，交给开发这块业务的工程师来决定是最合适的了，毕竟他最清楚针对每个异常该如何处理。而幂等框架本身不参与这个决定，它只需要提供删除幂等号的接口，由业务工程师来决定遇到异常的时候，是否需要调用这个删除接口，删除已经记录的幂等号。

业务系统宕机处理

如果幂等号已经记录下了，但是因为机器宕机，业务还没来得及执行，按照刚刚的幂等框架的处理流程，即便机器重启，业务也不会再被触发执行了，这个时候该怎么办呢？除此之外，如果记录幂等号成功了，但是在捕获到系统异常之后，要删除幂等号之前，机器宕机了，这个时候又该怎么办？

如果希望幂等号的记录和业务的执行完全一致，我们就要把它们放到一个事务中。执行成功，必然会记录幂等号；执行失败，幂等号记录也会被自动回滚。因为幂等框架和业务系统各自使用独立的数据库来记录数据，所以，这里涉及的事务属于分布式事务。如果为了解决这个问题，引入分布式事务，那幂等框架的开发难度提高了很多，并且框架使用起来也复杂了很多，性能也会有所损失。

针对这个问题，我们还有另外一种解决方案。那就是，在存储业务数据的业务数据库（ 比如 MySQL）中，建一张表来记录幂等号。幂等号先存储到业务数据库中，然后再同步给幂等框架的 Redis 数据库。这样做的好处是，我们不需要引入分布式事务框架，直接利用业务数据库本身的事务属性，保证业务数据和幂等号的写入操作，要么都成功，要么都失败。不过，这个解决方案会导致幂等逻辑，跟业务逻辑没有完全解耦，不符合我们之前讲到的低侵入、松耦合的设计思想。

实际上，做工程不是做理论。对于这种极少发生的异常，在工程中，我们能够做到，在出错时能及时发现问题、能够根据记录的信息人工修复就可以了。虽然看起来解决方案不优雅，不够智能，不够自动化，但是，这比编写一大坨复杂的代码逻辑来解决，要好使得多。所以，我们建议业务系统记录 SQL 的执行日志，在日志中附加上幂等号。这样我们就能在机器宕机时，根据日志来判断业务执行情况和幂等号的记录是否一致。

幂等框架异常处理

对于限流来说，限流框架执行异常（比如，Redis 访问超时或者访问失败），我们可以触发服务降级，让限流功能暂时不起作用，接口还能正常执行。如果大量的限流接口调用异常，在具有完善监控的情况下，这些异常很快就会被运维发现并且修复，所以，短暂的限流失效，也不会对业务系统产生太多影响。毕竟限流只是一个针对突发情况的保护机制，平时并不起作用。如果偶尔的极个别的限流接口调用异常，本不应该被放过的几个接口请求，因为限流的暂时失效被放过了，对于这种情况，绝大部分业务场景都是可以接受的。毕竟限流不可能做到非常精确，多放过一两个接口请求几乎没影响。

对于幂等来说，尽管它应对的也是超时重试等特殊场景，但是，如果本不应该重新执行的业务逻辑，因为幂等功能的暂时失效，被重复执行了，就会导致业务出错（比如，多次执行转账，钱多转了）。对于这种情况，绝大部分业务场景都是无法接受的。所以，在幂等逻辑执行异常时，我们选择让接口请求也失败，相应的业务逻辑就不会被重复执行了。毕竟接口请求失败（比如转钱没转成功），比业务执行出错（比如多转了钱），修复的成本要低很多。

虽然幂等框架要处理的异常很多，但考虑到开发成本以及简单易用性，我们对某些异常的处理在工程上做了妥协。交由业务系统或者人工介入处理，这样就大大简化了幂等框架开发的复杂度和难度。

V1 版本功能需求

幂等框架的设计思路是很简单，主要包含下面这样两个主要的功能开发点：

  • 实现生成幂等号的功能；
  • 实现存储、查询、删除幂等号的功能；

幂等号用来标识两个接口请求是否是同一个业务请求，换句话说，两个接口请求是否是重试关系，而非独立的两个请求。接口调用方需要在发送接口请求的同时，将幂等号一块传递给接口实现方。幂等号一般有两种生成方式：

  1. 集中生成并且分派给调用方：需要部署一套幂等号的生成系统，并且提供相应的远程接口（RESTful 或者 RPC 接口），调用方通过调用远程接口来获取幂等号。这样做的好处是，对调用方完全隐藏了幂等号的实现细节。当我们需要改动幂等号的生成算法时，调用方不需要改动任何代码；
  2. 直接由调用方生成：调用方按照跟接口实现方预先商量好的算法，自己来生成幂等号。这种实现方式的好处在于，不用像第一种方式那样调用远程接口，所以执行效率更高。但是，一旦需要修改幂等号的生成算法，就需要修改每个调用方的代码；

权衡来讲，既考虑到生成幂等号的效率，又考虑到代码维护的成本，我们选择第二种实现方式，并且在此基础上做些改进，由幂等框架来统一提供幂等号生成算法的代码实现，并封装成开发类库，提供给各个调用方复用。除此之外，我们希望生成幂等号的算法尽可能的简单，不依赖其他外部系统。实际上，对于幂等号的唯一要求就是全局唯一。全局唯一 ID 的生成算法有很多。比如，简单点的有取 UUID，复杂点的可以把应用名拼接在 UUID 上，方便做问题排查。总体上来讲，幂等号的生成算法并不难。

从现在的需求来看，幂等号只是为了判重。在数据库中，我们只需要存储一个幂等号就可以，不需要太复杂的存储结构，所以，我们不选择使用复杂的关系型数据库，而是选择使用更加简单的、读写更加快速的键值数据库，比如 Redis。在幂等判重逻辑中，我们需要先检查幂等号是否存在。如果没有存在，再将幂等号存储进 Redis。多个线程（同一个业务实例的多个线程）或者多进程（多个业务实例）同时执行刚刚的“检查-设置”逻辑时，就会存在竞争关系（竞态，Race Condition）。比如，A 线程检查幂等号不存在，在 A 线程将幂等号存储进 Redis 之前，B 线程也检查幂等号不存在，这样就会导致业务被重复执行。为了避免这种情况发生，我们要给“检查-设置”操作加锁，让同一时间只有一个线程能执行。除此之外，为了避免多进程之间的竞争，普通的线程锁还不起作用，我们需要分布式锁。

引入分布式锁会增加开发的难度和复杂度，而 Redis 本身就提供了把“检查-设置”操作作为原子操作执行的命令：setnx(key, value)。它先检查 key 是否存在，如果存在，则返回结果 0；如果不存在，则将 key 值存下来，并将值设置为 value，返回结果 1。因为 Redis 本身是单线程执行命令的，所以不存在刚刚讲到的并发问题。

最小原型代码实现

我们先不考虑设计和代码质量，怎么简单怎么来，先写出 MVP 代码，然后基于这个最简陋的版本做优化重构。V1 版本的功能非常简单，我们用一个类就能搞定，代码如下所示：

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public class Idempotence {
    private JedisCluster jedisCluster;

    public Idempotence(String redisClusterAddress, GenericObjectPoolConfig config) {
        String[] addressArray= redisClusterAddress.split(";");
        Set<HostAndPort> redisNodes = new HashSet<>();
        for (String address : addressArray) {
            String[] hostAndPort = address.split(":");
            redisNodes.add(new HostAndPort(hostAndPort[0], Integer.valueOf(hostAndPort[1])));
        }
        this.jedisCluster = new JedisCluster(redisNodes, config);
    }
    
    public String genId() {
        return UUID.randomUUID().toString();
    }

    public boolean saveIfAbsent(String idempotenceId) {
        Long success = jedisCluster.setnx(idempotenceId, "1");
        return success == 1;
    }

    public void delete(String idempotenceId) {
        jedisCluster.del(idempotenceId);
    }
}

Review 最小原型代码

尽管 MVP 代码很少，但仔细推敲，也有很多值得优化的地方。现在，我们就站在 Code Reviewer 的角度，分析一下这段代码：

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public class Idempotence {
    // comment-1: 如果要替换存储方式，是不是很麻烦呢？
    private JedisCluster jedisCluster;

    // comment-2: 如果幂等框架要跟业务系统复用 jedisCluster 连接呢？
    // comment-3: 是不是应该注释说明一下 redisClusterAddress 的格式，以及 config 是否可以传递进 null 呢？
    public Idempotence(String redisClusterAddress, GenericObjectPoolConfig config) {
        // comment-4: 这段逻辑放到构造函数里，不容易写单元测试呢？
        String[] addressArray= redisClusterAddress.split(";");
        Set<HostAndPort> redisNodes = new HashSet<>();
        for (String address : addressArray) {
            String[] hostAndPort = address.split(":");
            redisNodes.add(new HostAndPort(hostAndPort[0], Integer.valueOf(hostAndPort[1])));
        }
        this.jedisCluster = new JedisCluster(redisNodes, config);
    }
    
    // comment-5: generateId() 是不是比缩写要好点？
    // comment-6: 根据接口隔离原则，这个函数跟其他函数的使用场景完全不同，这个函数主要用在调用方，其他函数用在实现方，是不是应该分别放到两个类中？
    public String genId() {
        return UUID.randomUUID().toString();
    }

    // comment-7: 返回值的意义是不是应该注释说明一下？
    public boolean saveIfAbsent(String idempotenceId) {
        Long success = jedisCluster.setnx(idempotenceId, "1");
        return success == 1;
    }

    public void delete(String idempotenceId) {
        jedisCluster.del(idempotenceId);
    }
}

总结一下，MVP 代码主要涉及下面这样几个问题：

  • 代码可读性问题：有些函数的参数和返回值的格式和意义不够明确，需要注释补充解释一下。genId() 函数使用了缩写，全拼 generateId() 可能更好些；
  • 代码可扩展性问题：按照现在的代码实现方式，如果改变幂等号的存储方式和生成算法，代码修改起来会比较麻烦。除此之外，基于接口隔离原则，我们应该将 genId() 函数跟其他函数分离开来，放到两个类中。独立变化，隔离修改，更容易扩展；
  • 代码可测试性问题：解析 Redis Cluster 地址的代码逻辑较复杂，但因为放到了构造函数中，无法对它编写单元测试；
  • 代码灵活性问题：业务系统有可能希望幂等框架复用已经建立好的 jedisCluster，而不是单独给幂等框架创建一个 jedisCluster；

重构最小原型代码

实际上，问题找到了，修改起来就容易多了：

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// 代码目录结构
com.xzg.cd.idempotence
  --Idempotence
  --IdempotenceIdGenerator(幂等号生成类)
  --IdempotenceStorage(接口：用来读写幂等号)
  --RedisClusterIdempotenceStorage(IdempotenceStorage 的实现类)

// 每个类的代码实现
public class Idempotence {
    private IdempotenceStorage storage;

    public Idempotence(IdempotenceStorage storage) {
        this.storage = storage;
    }

    public boolean saveIfAbsent(String idempotenceId) {
        return storage.saveIfAbsent(idempotenceId);
    }

    public void delete(String idempotenceId) {
        storage.delete(idempotenceId);
    }
}

public class IdempotenceIdGenerator {
    public String generateId() {
        return UUID.randomUUID().toString();
    }
}

public interface IdempotenceStorage {
    boolean saveIfAbsent(String idempotenceId);
    void delete(String idempotenceId);
}

public class RedisClusterIdempotenceStorage implements IdempotenceStorage {
    private JedisCluster jedisCluster;

    /**
    * Constructor
    * @param redisClusterAddress the format is 128.91.12.1:3455;128.91.12.2:3452;289.13.2.12:8978
    * @param config should not be null
    */
    public RedisIdempotenceStorage(String redisClusterAddress, GenericObjectPoolConfig config) {
        Set<HostAndPort> redisNodes = parseHostAndPorts(redisClusterAddress);
        this.jedisCluster = new JedisCluster(redisNodes, config);
    }

    public RedisIdempotenceStorage(JedisCluster jedisCluster) {
        this.jedisCluster = jedisCluster;
    }

    /**
    * Save {@idempotenceId} into storage if it does not exist.
    * @param idempotenceId the idempotence ID
    * @return true if the {@idempotenceId} is saved, otherwise return false
    */
    public boolean saveIfAbsent(String idempotenceId) {
        Long success = jedisCluster.setnx(idempotenceId, "1");
        return success == 1;
    }

    public void delete(String idempotenceId) {
        jedisCluster.del(idempotenceId);
    }

    @VisibleForTesting
    protected Set<HostAndPort> parseHostAndPorts(String redisClusterAddress) {
        String[] addressArray= redisClusterAddress.split(";");
        Set<HostAndPort> redisNodes = new HashSet<>();
        for (String address : addressArray) {
            String[] hostAndPort = address.split(":");
            redisNodes.add(new HostAndPort(hostAndPort[0], Integer.valueOf(hostAndPort[1])));
        }
        return redisNodes;
    }
}

接下来，我再总结罗列一下，针对之前发现的问题，我们都做了哪些代码改动：

  • 在代码可读性方面，我们对构造函数、saveIfAbsent() 函数的参数和返回值做了注释，并且将 genId() 函数改为全拼 generateId()。不过，对于这个函数来说，缩写实际上问题也不大；
  • 在代码可扩展性方面，我们按照基于接口而非实现的编程原则，将幂等号的读写独立出来，设计成 IdempotenceStorage 接口和 RedisClusterIdempotenceStorage 实现类。RedisClusterIdempotenceStorage 实现了基于 Redis Cluster 的幂等号读写。如果我们需要替换新的幂等号读写方式，比如基于单个 Redis 而非 Redis Cluster，我们就可以再定义一个实现了 IdempotenceStorage 接口的实现类：RedisIdempotenceStorage。除此之外，按照接口隔离原则，我们将生成幂等号的代码抽离出来，放到 IdempotenceIdGenerator 类中。这样，调用方只需要依赖这个类的代码就可以了。幂等号生成算法的修改，跟幂等号存储逻辑的修改，两者完全独立，一个修改不会影响另外一个；
  • 在代码可测试性方面，我们把原本放在构造函数中的逻辑抽离出来，放到了 parseHostAndPorts() 函数中。这个函数本应该是 Private 访问权限的，但为了方便编写单元测试，我们把它设置为成了 Protected 访问权限，并且通过注解 @VisibleForTesting 做了标明；
  • 在代码灵活性方面，为了方便复用业务系统已经建立好的 jedisCluster，我们提供了一个新的构造函数，支持业务系统直接传递 jedisCluster 来创建 Idempotence 对象；